日期：  2018.  

北斗安全监测系统

技

术

说

明

书

一、 概述

灾害监测的危害性和实时性，决定了需要一套在办公室就能自动获取各种变形监测数据，并实时对数据进行分析和预测预报的系统。那么这样的系统对仪器或监测技术提出更高要求，主要概括下面三点：自动化程度高，在天气恶劣条件下也能监测；实时获取变形，尽量在数据观测完后，就能够得到变形量。

基于上述需求，同时，变形监测系统已经在成本、精度和实时性等方面远远优于传统的变形监测方法。因此，理论上基于表面变形监测系统可完全满足需求。本系统结合北斗系统， 具有定位速度快、全天候、自动化、测站之间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等特点。通过精密解算获得的水平位移和垂直位移量可达到毫米级乃至亚毫米级的精度， 可对结构物变形进行预警， 为结构的稳定性、安全性决策提供了科学依据。

二、 技术方案和路线

1. 设计原则

本系统结合北斗应用，可使水平位移和垂直位移量达到毫米级乃至亚毫米级精度。系统整体设计、关键部件研发、软件设计和系统整体测试方案均以此目标为核心，并综合考量系统稳定性、可靠性、易用性以及环境适应性。软件设计可充分满足实时数据处理要求，并达到标称精度。

图2.1 总体设计

本系统由数据采集、数据传输、数据处理与分析3大部分组成。数据采集为自主研发的北斗、GPS多模，数据传输采用无线通讯方式，数据处理与分析为自主研发的高精度实时变形监测系统监测软件v13。

监测软件可提供实时解以及准实时解等多种解算模式，每个监测点可同时输出实时解和3 hour、24 hour等准实时解，满足数据分析中对探测精度和稳定性等指标的要求。

（1） 系统遵循科学可靠、结构合理、功能完善、经济适用的原则；

（2） 紧密结合GNSS系统有关国家规范以及各行业规范，实现理论研究与工程实践的统一；

（3） 采用目前国际上GNSS算法研究方面较先进的理论成果，提高数据处理方法的效率和精度，并保证监测系统精度满足应用需求；

（4） 实现数据采集、处理、分析、输出、存储、报警全过程的自动化，可实现长期无人值守连续自动运行监测；

（5） 系统通信网络及接口符合工程设计总体规划，便于扩展维护；系统功能丰富，可满足不同领域用户需求；

（6） 人性化操作设计，保证软件操作的便捷及稳定。

2. 设计技术依据

本系统建设依照以下相关规范要求：

表2-1 设计技术依据

3. 系统总体设计概述

系统的总体设计如下图：

图3.1 系统总体设计

监测系统分为基准站/监测站系统、通信链路和监控软件三个部分和。其中，基准站/监测站系统由土建系统、数据采集系统、数据传输系统；监控软件部分分为总体控制、数据解算、数据分析和数据管理四个部分。

4. 系统安装

表面变形监测系统控制点包括两类：基准站和监测站。一般根据现有资料以及以往的建设经验进行布点设计。观测测站对于接收卫星信号的能力与测站周围的观测环境有较大关系，监测精度与观测时长息息相关。所以，在点位选择过程中，应综合考虑观测环境等因素，选择合适的环境与相应的设备。

      图4.1                                            图4.2

5. 数据分析

将数据采集、数据传输、数据处理系统连接好后开始采集数据不少于六天，分析前三天数据24 hour的输出结果，其平均值为监测点起始坐标，将后三天的数据与之比较，坐标变化应小于1mm。

6. 数据处理原理

GPS数据处理是把测站的原始观测值转换成测站坐标的过程。利用GPS数据进行变形监测是获取观测点不同时期的坐标差值的过程。

1) gps观测量及线性组合

基本观测量包括伪距观测量、载波相位观测量和积分多普勒观测量。其中伪距观测量与载波相位观测量最为常见。观测方程描述的是观测值和相应物理事件之间的确定函数关系，观测方程的准确程度对精密定位结果有着直接影响。

码伪距观测量、载波相位观测量是用户进行定位的重要依据。受内、外界因素的影响，直接测量获得的站星距离与真正的站星几何距离之间存在着较大差异，通常称这种实测的站星距离为伪距。伪距精度太低，不能直接用于高精度的测量定位。

载波相位观测是接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号与接收机自身产生的参考载波信号之间的相位差。载波相位观测在实际中无法直接测得，无法快速高效的确定整周模糊度，定位精度受卫星钟差与接收钟差影响较大。利用载波相位数据计算测站坐标时，常利用伪距用于解算接收机钟差、求解相位模糊度等。

观测值的定位精度受到空间误差和非空间误差的影响。空间误差有对流层延迟、电离层延迟、卫星钟钟差、接收机钟钟差和轨道误差等，非空间相关误差有多路径误差、接收机与卫星的天线相位中心偏差和观测噪声等。

广泛应用的双频载波的线性组合有宽巷观测量（Wide Lane）、窄巷观测量（Narrow Lane）、消除电离层观测量LC（Ionospheric-Free）和和几何无关观测量（Geometry Free）等。另外，MW（Melbourne Wubbena）组合观测量常用于宽巷模糊度的解算。

2) 差分定位的数学模型

a) 站间单差

高精度GNSS定位的最有效途径是利用高精度的载波相位观测值，将非差的载波相位观测值相减即构成单差观测值，如果要消除卫星钟差及削弱卫星轨道误差的影响，可在测站间进行单差组合。

b) 星间单差

为了消除测站的接收机钟差和接收机硬件延迟，可以采用卫星间求差的方式。

c) 站星双差

站星间的单差载波相位观测方程再求差，即可得到站星间的双差载波相位观测方程。

3) GPS基线解算

V13软件使用了载波相位观测的双差模型，对各个时段的观测数据利用加权最小二乘算法进行参数估计。解算过程中使用了岁差、章动、极移、潮汐等模型来修正各类地球物理参数，并每隔一段时间估算对流层天顶延迟参数和大气水平梯度参数，解算载波相位的整周模糊度。最终可获得地面测站的精确的基线分量。

数据处理模块是整个变形监测系统的核心模块，主要功能为从原始的GPS观测数据出发，经过复杂的解算过程得到变形体的变形量，进而为其他各模块的分析应用奠定基础。GPS解算具有数据量大、模型复杂、待求参数多等特点，这就对系统的软硬件都提出了较高的要求。

GPS系统有多种观测值，根据目的不同，可以采用不同的数据组合策略。此外，观测值也可以在站间、星间或历元间求差。可以消去接收机钟差以及卫星钟差参数，同时可以削弱对流层、电离层、轨道等大部分误差的影响，是目前高精度定位普遍采用的数据组合策略。针对本项目的高精度要求，采用数据的双差组合。

4) 整周模糊度解算

求解整周模糊度是提高基线分量的精度的最关键步骤，同时也是最难的。通过双频观测值的线性组合来解算整周模糊度。

流动站到基准站的距离较短，通常小于15km，双差观测值的电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星轨道误差的残差较小，可以忽略。但RTK基准站间距离长，观测值误差之间的相关性弱，双差组合后的残余误差仍然比较大，在确定载波相位的整周模糊度时必须考虑。基准站载波相位观测值的整周模糊度解算与一般GNSS定位中的载波相位模糊度解算不同，因为基准站的坐标是已知的，未知参数当中不包含位置参数。可以充分利用基准站坐标精确已知这一有利条件辅助解算基准站的载波相位整周模糊度。在网络RTK系统启动时，应该在较短的时间内完成系统初始化，即在较短的时间内完成基准站的载波相位整周模糊度解算工作。网络RTK基准站整周模糊度的实时解算比事后数据处理更加复杂，并且要求能够在短时间内完成模糊度解算工作，而且只能利用当前历元以及前面历元的观测信息。

整周模糊度确定的三步法：该方法由宽巷模糊度、窄巷模糊度到载波相位模糊度逐步固定地确定基准站间的双差整周模糊度。具体计算过程如下。

1、确定双差宽巷模糊度

2、确定双差窄巷模糊度

3、双差载波相位模糊度的确定

三步法不需线性化，不需求解方程组，双差观测值之间相互独立，且解算速度快，可靠性高。

软件建立了相位非差观测量的单差、双差观测方程。站间的单差观测方程可大大削弱空间相关误差的影响，如卫星钟差项、对流层和电离层对载波相位信号和伪距信号的延迟影响等。双差观测方程进一步削弱了空间相关误差，消除了接收机钟差的影响，同时使模糊度具有整周特性。

5) 数据处理流程

在模型中采用L1观测值，通过法方程叠加的方法进行参数估计。

首先将对参数的先验约束加入法方程，之后逐历元读取经过误差改正的OMC值以及观测值相对于各待估参数的偏导数，通过双差映射矩阵将此历元的观测值映射为双差观测值，并将其贡献叠加入法方程。在此过程中需要逐历元检查卫星星座是否发生变化，以确定是否需要重新形成映射矩阵，同时，根据周跳探测模块的结果，在法方程中加入待估模糊度参数，并利用“参数消去恢复法”消除此位置已经存在的模糊度参数，以降低解算难度，提高解算效率。待所有历元的观测值叠加完毕后，根据基线长度以及观测情况形成双差模糊度映射矩阵，将待估参数中的单差模糊度映射为双差模糊度参数，以保证其整数特性。

上述步骤完成后求解法方程即可得到参数估值。

6) 变形信息提取及质量检验

程序解算的结果包括全球框架下的测站坐标值和速度值的方向。由于测站坐标是地心空间直角坐标系下的，其个坐标轴的指向在地面上并没有明显的参照。多期的测站坐标序列或两期测站坐标的位移值若用空间直角坐标来表达，则会导致表达不直接明显，且容易让人产生误解。

因此，有必要将其转换成以测站附近某点为原点的坐标，此时个坐标轴的指向分别为水平北方向、东方向和竖直的高方向，这种表达方式直接形象，很适合于地壳形变分析。

7. 数据处理

1) 数据的采集

理论上大坝在短期的时间内的水平方向和垂直方向位移量为0，采用这种方法来测试监测系统的稳定性，采用变形监测系统某一监测点的数据进行稳定性分析，监测的数据为自定义站心坐标系，设定一段时间观测，主要分析内容为24小时解，3小时解，实时解。下面为采用实际项目监测点的数据分析。

2) 数据分析

使用监测站前三天数据建立起始坐标基准点，第四天、第五天、第六天与前三天起始坐标进行比较，其24hour输出的位移量观测坐标水平变化小于1mm，垂直方向小于2mm。

表4.1 24小时位移监测结果（前三天）

表4.2 24小时位移监测结果（后三天）

表4.3 24小时位移监测稳定性比较

表4.4 24小时位移监测稳定结果

图4.2 水平方向稳定性结果

图4.3 垂直方向稳定性结果

3) 数据分析结论

由采集数据分析得出结论为：以前三天数据为平均值最为监测点起始坐标，将后三天的数据与之比较，水平方向坐标变化最大值为0.385mm，小于1mm，垂直方向坐标变化最大值为-0.840mm，小于2mm，满足设计要求，达到亚毫米级别。

三、 比较和定位

通过多个水库、边坡等项目表面变形北斗监测系统试验，以及对设备自身、安装布设、电缆连接、系统采集等多方面进行考核，系统总体指标已达到国内外同等水平，系统的稳定性，可靠性优于国内同类水平。

四、 社会、经济效益

1、自动化监测系统的稳定工作，将减少维护维修的工作量，降低维修养护费用。

2、自动化监测系统的稳定工作，能准确快速监测水库表面位移状态，为突发事件提供有力信息支撑。

五、 系统平台